(57)【要約】【課題】  優れた加工精度と高疲労強度を両立させたバネ材の製造方法を提供する。【解決手段】  質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｎｉ：８．０〜１９．０％、Ｃｏ：１４．０％以下、Ｍｏ：２．０〜９．０％、Ｔｉ：２．０％以下（０は含まず）、Ａｌ：１．７％以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：３０ｐｐｍ以下、残部は実質的にＦｅからなるバネ材を７５０〜９５０℃で固溶化処理して３５０ＨＶ未満の硬さとした後バネ形状に加工し、その後、４００℃〜５５０℃で時効硬化処理を施すバネ材の製造方法である。好ましくは、疲労強度向上のために、上記の時効硬化処理の後に、バレル研磨若しくはショットピーニングを施す、或いは更に上記の時効硬化処理の後に窒化処理を施すか、または上記の時効硬化処理と同時に窒化処理バネ材の製造方法である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｎｉ：８．０〜１９．０％、Ｃｏ：１４．０％以下、Ｍｏ：２．０〜９．０％、Ｔｉ：２．０％以下（０は含まず）、Ａｌ：１．７％以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：３０ｐｐｍ以下、残部は実質的にＦｅからなるバネ材を７５０〜９５０℃で固溶化処理して３５０ＨＶ未満の硬さとした後バネ形状に加工し、その後、４００℃〜５５０℃で時効硬化処理を施すことを特徴とするバネ材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の時効硬化処理の後に、バレル研磨若しくはショットピーニングを施すことを特徴とするバネ材の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の時効硬化処理の後に、若しくは時効硬化処理と同時に、窒化処理を施すことを特徴とするバネ材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高疲労強度特性を有するバネ材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用部品やエレクトロニクス関係部品は、小型・高速作動を求められている。これにともない部品に用いられるバネは、高精度かつ高疲労強度が求められている。
従来より、高疲労強度なバネ材として、特開平１０−１４０２９４号（特許文献１参照）、特開２００３−７３７８３号（特許文献２参照）、特開昭６０−３６６４９号（特許文献３参照）に開示されている鋼がある。
【特許文献１】特開平１０−１４０２９４号公報
【特許文献２】特開２００３−７３７８３号公報
【特許文献３】特開昭６０−３６６４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した特許文献１に開示されている鋼は、加工状態で、不安定なオーステナイト相が残存するため、残存したオーステナイト相の加工性とマルテンサイト組織の加工性が異なり、加工精度が不十分である。
また、特許文献２に開示されている鋼は、特許文献１で示される鋼中に残存した不安定なオーステナイト相による加工精度の悪化を解消するために、加工状態で完全にマルテンサイト組織とし、残存オーステナイトをなくしている。しかし、加工される状態での硬さが３５０ＨＶ以上と非常に高く、加工性そのものが悪い。
また、特許文献３に開示されている鋼は、加工性に優れるが、時効硬化処理後の硬さが低く、強度、疲労強度とも不十分である。
本発明の目的は、優れた加工精度と高疲労強度を両立させたバネ材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は、加工精度に優れ、かつ疲労強度が高いバネ材について化学組成、製造方法の両方について鋭意検討した結果、バネ材の合金成分を限定し、且つ特別な製造方法を適用することで優れた加工精度と高疲労強度を両立できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち本発明は、質量％で、Ｃ：０．０１％以下、Ｎｉ：８．０〜１９．０％、Ｃｏ：１４．０％以下、Ｍｏ：２．０〜９．０％、Ｔｉ：２．０％以下（０は含まず）、Ａｌ：１．７％以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：３０ｐｐｍ以下、残部は実質的にＦｅからなるバネ材を７５０〜９５０℃で固溶化処理して３５０ＨＶ未満の硬さとした後バネ形状に加工し、その後、４００℃〜５５０℃で時効硬化処理を施すバネ材の製造方法である。
好ましくは、疲労強度向上のために、上記の時効硬化処理の後に、バレル研磨若しくはショットピーニングを施す、或いは更に上記の時効硬化処理の後に窒化処理を施すか、または上記の時効硬化処理と同時に窒化処理バネ材の製造方法である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明のバネ材の製造方法を適用すれば、自動車用部品やエレクトロニクス関係部品等に用いられる、小型、高速作動を求められるバネ材が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、加工精度に優れ、かつ高疲労強度なバネ材とすることができる化学組成、及び製造方法の両方に特徴がある。
本発明では、以下に示す組成の合金に固溶化処理し、固溶化処理後に加工を行い、その後時効硬化処理する。この製造方法では、良好な加工性を確保するために固溶化処理後の硬さを３５０ＨＶ未満とし、所望のバネ形状に加工する。硬さが３５０ＨＶ未満であるため、優れた加工精度も容易に得ることができる。そして、加工したバネ形状の寸法変化をほとんど起さない低温の時効硬化処理によって硬化させて高疲労強度を達成するものである。
これに必要な合金の限定理由を詳しく説明する。なお、化学組成は質量％として示している。
【０００７】
Ｃ：０．０１％以下
Ｃは固溶化処理後の硬さを上昇させるため、良好な加工性を得るためには、Ｃの上限を０．０１％以下とする必要がある。好ましくは０．００７％以下であり、下限については、今現在の技術的な限界としては１０ｐｐｍとするのがせいぜいである。
Ｎｉ：８．０〜１９．０％
Ｎｉは母相に置換型固溶し、固溶化処理後にマルテンサイト組織を形成させる重要な元素である。しかし、１９％を越えるとオーステナイトが安定化し、固溶化処理後に１％以上の残留オーステナイトが生成するため、加工精度が低下する。一方、８．０％未満では靱性が劣化することから、Ｎｉは８．０〜１９．０％とした。
【０００８】
Ｃｏ：１４．０％以下
Ｃｏは、固溶化処理後のマルテンサイト変態の安定性に大きく影響することなく、固溶化処理時のＭｏの固溶度を増加させ、時効硬化処理時のＭｏの固溶度を低下させることによってＭｏが微細な金属間化合物を形成して析出するのを促進し、析出強化に間接的に寄与する。しかし、１４．０％を越えて添加してもその効果がほとんど得られないことから、１４．０％以下とした。
また、主要強化元素であるＮｉ，Ｍｏ，Ｔｉによって析出強化が達成されている場合は、特に添加の必要がないことから、Ｃｏの含有量は、１４．０％以下とした。
【０００９】
Ｍｏ：２．０〜９．０％
Ｍｏは時効硬化処理により、微細な金属間化合物（Ｆｅ２Ｍｏ若しくはＮｉ３Ｍｏ）を形成し、マトリックスに析出することによって強化に寄与する元素であるが、その含有量が２．０％未満の場合その効果が少なく、また９．０％を越えて含有すると延性、靱性を劣化させるＦｅ２Ｍｏが粗大化しやすくなることから、Ｍｏの含有量を２．０〜９．０％とした。
なお、Ｍｏを５％を越えて添加する場合には、Ｃｏを５％以上含有し、上述のＣｏの効果と併用するのが好ましい。
Ｔｉ：２．０％以下（０は含まず）
Ｔｉは時効硬化処理により微細な金属間化合物を形成し、析出することによって強化に寄与する必要不可欠な元素であり必須添加とするが、その含有量が２．０％を越えて含有させると延性、靱性が劣化するため、Ｔｉの含有量を２．０％以下（０を含まず）とした。窒化層を形成させ５００ＭＰａ以上の表面圧縮残留応力を得るために好ましい範囲は０．４〜１．０％の範囲である。
【００１０】
Ａｌ：１．７％以下
Ａｌは脱酸作用を持っているため、脱酸元素として添加することができる。しかし、過度の添加は疲労破壊の起点となる酸化物系介在物を形成することから、その上限を１．７％とする。
Ｏ：３０ｐｐｍ以下
Ｏは酸化物系介在物を形成するため、３０ｐｐｍ以下に制限する。Ｏが３０ｐｐｍを超えて含有すると高サイクル領域での疲労強度が著しく低下するため、その含有量を３０ｐｐｍ以下にした。好ましくは２０ｐｐｍ以下である。なお、下限については、今現在の技術的な限界としては１ｐｐｍとするのがせいぜいである。
Ｎ：３０ｐｐｍ以下
Ｎは窒化物や炭窒化物系介在物を形成するため、３０ｐｐｍ以下に制限する。Ｎが３０ｐｐｍを超えて含有すると高サイクル領域での疲労強度が著しく低下するため、その含有量を３０ｐｐｍにした。好ましくは２０ｐｐｍ以下である。なお、下限については、今現在の技術的な限界としては２ｐｐｍとするのがせいぜいである。
【００１１】
本発明ではこれら規定する元素以外は実質的にＦｅとしているが、当然のことながら不可避的に含有される不純物は含まれる。中でも、不可避的に含有する不純物元素のＳｉ、Ｍｎは脆化をもたらす粗大な金属間化合物の析出を促進して延性、靭性を低下させたり、非金属介在物を形成して疲労強度を低下させるので、Ｓｉ、Ｍｎ共に０．１％以下に、望ましくは０．０５％以下とすれば良く、また、Ｐ、Ｓも粒界脆化させたり、非金属介在物を形成して疲労強度を低下させるので、０．０１％以下とすると良い。
また、他の脱酸作用を持つ元素、例えば、Ｍｇ，ＣａをＡｌの一部と置換して添加することもできる。
なお、不可避的に含有される不純物の他、本発明の主旨を損なわなければ、積極的に追加元素を添加することもできる。例えばＢは、結晶粒を微細化するのに有効な元素でるため、靱性が劣化させない程度の０．０１％以下の範囲で含有させても良い。
【００１２】
以上のような組成を有するバネ材は、固溶化処理を施すことで３５０ＨＶ未満の硬さに調整することが可能であるが、優れた加工性、加工精度および疲労強度を付与するには、７５０〜９５０℃で固溶化処理を施す必要がある。
固溶化処理が７５０℃より低い場合は粗大なＦｅ２Ｍｏが生成し、バネ加工後に実施する時効硬化処理において十分な高硬度が得られないだけでなく、靭性が低くなるため、十分な疲労強度が得られない。また、９５０℃を超える高温とすると、母相の結晶粒が粗大化し、時効硬化処理において十分な高硬度が得られず疲労強度が低下するだけでなく、延性が低くなるため加工性も低下する。よって、固溶化処理温度は７５０〜９５０℃の範囲である。処理時間は３分〜１時間程度であれば良い。
また、本発明において時効硬化処理後の硬さを３５０ＨＶ未満としたのは、この範囲が優れた加工性、加工精度を得ることができる、経験に基づく現実的な領域であると判断したためである。好ましくは２００〜３４０ＨＶの範囲であれば良い。
なお、この固溶化処理において、固溶化処理後の金属組織中の残留オーステナイト量をエックス線回折装置で測定した時、１％未満とするとより確実に優れた加工精度を付与でき更に好ましい。
【００１３】
そして、本発明においては固溶化処理後にバネ形状に加工する。前述のとおり固溶化処理後の硬さが３５０ＨＶ未満に調整されているため、高精度な形状を得ることができる。
ここでの加工は、バネ材の用途に応じて、打ち抜き加工、絞り加工、曲げ加工、切削加工等を適時選択できる。特に絞り加工、曲げ加工で高精度が得ることができるため、絞り加工が必要なダイヤフライムや、曲げ加工の必要な湾曲した形状の板バネ材用途が適している。
そして、４００℃〜５５０℃で時効硬化処理を施すことで、加工後の高精度な形状を維持したまま５６０ＨＶ以上の高硬度となり、高疲労強度特性をバネ材に付与することができる。
なお、時効硬化処理を４００℃〜５５０℃としたのは、４００℃より低い場合は金属間化合物の析出が十分に起こらず高い強度が得られないためであり、５５０℃を越えると金属間化合物が粗大化し高い強度が得られないだけでなく、逆変態オーステナイトが生成することで寸法変化が大きくなり、高精度な形状を維持できなくなるためである。好ましい時効硬化処理温度は４５０〜５００℃の範囲であり、処理時間は３０分〜５時間程度であれば良い。
【００１４】
次に好ましい工程について説明する。
本発明では、上記の時効硬化処理後に表面起点の疲労破壊を抑制することができるバレル研磨もしくはショットピーニングを施すとよい。
バレル研磨もしくはショットピーニングにより、バネ材料の表面の圧縮残留応力を１００ＭＰａ以上にすれば表面起点の疲労破壊をより確実に軽減でき、より高疲労強度にすることができる。この場合のバレル研磨もしくはショットピーニングの条件については、できるだけ小さな粒子を用いた方が表面の圧縮残留応力を均一に１００ＭＰａ以上にすることができ、効果的である。
【００１５】
また本発明では、時効硬化処理の後に、疲労破壊を軽減する方法として、上記のバレル研磨若しくはショットピーニングを施す方法の他、時効硬化処理の後に窒化処理を施す方法か、時効硬化処理と同時に窒化処理施す方法を適用しても良い。
なお、バレル研磨若しくはショットピーニングを施す方法と窒化処理を施す方法とを組合わせても良いが、その場合は窒化処理を後工程とすると良い。
本発明でバネ材料の表面に窒化層を形成すれば、表面起点の疲労破壊が軽減するだけでなく、バネの使用時に表面に負荷される引張応力を緩和でき、より一層高疲労強度にすることができる。
この時、窒化処理によってバネ材の表面圧縮残留応力を５００ＭＰａ以上にするとより一層高疲労強度にすることができ、更に好ましい。
【００１６】
そのための処理条件としては、窒化処理温度が５５０℃を越える温度で行うと母相中に逆変態オーステナイトが生成することで寸法変化が大きくなり、高精度な形状を維持できなくなり、また、窒化層表面に化合物層が形成されると化合物層が起点となり、逆に疲労強度が低下する可能性があるので、化合物層が実質的に存在しない条件が良い（ここで、実質的に存在しないとは、窒化層断面を１０００倍で光学顕微鏡観察したとき、化合物層が観察されないことをいう）。
そのため、好適な窒化処理温度は５５０℃以下であり、４００℃以上５００℃以下の温度で１５分以上５時間以下の範囲の時間処理であれば更に好ましく、上記の時効硬化処理と同時に窒化処理を施しても差し支えない。
【実施例】
【００１７】
以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
真空誘導溶解炉にて１０ｋｇのインゴットを作製し、１２８０℃×２０時間の均質化熱処理の後、１１００℃にて、熱間鍛伸・熱間圧延を行い、厚さ４ｍｍのＮｏ．Ａ、Ｂとして示す２種類のバネ材素材を得た。バネ材素材の化学組成を表１に示す。なお、Ｎｏ．Ｂは、特許文献３に開示されている従来鋼である。
【００１８】
【表１】
2006283085.tif 000002
【００１９】
表１に示したバネ材素材表面の酸化スケールを酸洗いと研削にて除去した後、冷間圧延と歪除去のための熱処理を繰返し、厚さ０．３ｍｍのバネ材素材薄板を得た。ここで、歪除去のための熱処理は、１０５０℃×１分とした。
その後、Ｎｏ．Ａのバネ材素材は冷間圧延により厚さ０．２ｍｍまで圧延後、９００℃×５分の固溶化処理を施し、時効硬化処理前素材とした。
また、Ｎｏ．Ｂのバネ材素材は、冷間圧延により厚さ０．２５ｍｍまで圧延後、１０５０℃×５分の固溶化処理を施し、更に厚さ０．２ｍｍまで調質圧延を施し、時効硬化処理前素材とした。
ビッカース硬さ測定は時効硬化処理前の縦断面（圧延方向に沿った断面）において、鏡面研磨後に圧子荷重２．９Ｎにて測定した。また、表面に電解研磨を施しＸ線回折にて残留オーステナイト（γ）量を測定した結果を表２に示す。
【００２０】
【表２】
2006283085.tif 000003
【００２１】
時効硬化処理前は、バネ加工を行う状態である。時効硬化処理前素材のＮｏ．Ａ、Ｎｏ．Ｂの硬さは何れも３５０ＨＶ未満であり加工性が良く、残留オーステナイト（γ）量も１％未満であり、硬さのバラつきも非常に少ない結果となった。
前記の時効硬化処理前素材を用いて、バネ加工を模擬した三点曲げ試験を実施した。試験は７．５ｍｍの長さを支持し、その中心を押し込む方法とした。その結果、本発明Ｎｏ．Ａ、従来鋼Ｎｏ．Ｂについて、それぞれ、１０個の試験片について実施したが、長さ１０mmまで押し込んでも、試験片に割れ等の異常も発生せず、良好な加工性を示した。
次に、押し込み荷重を除去した試験後の試験片の曲がり角度を測定した。その結果、曲がり角度の試験片毎の相違は、ほとんどみられず、良好な加工精度であることが確認できた。本発明Ｎｏ．Ａ、従来鋼Ｎｏ．Ｂの時効硬化処理前素材ともに優れた加工性と、加工精度とを併せ持つことを確認した。
【００２２】
上記の三点曲げ試験を実施した試験片を用いてＮｏ．Ａ、Ｎｏ．Ｂについて、４８０℃×２時間の時効硬化処理を施した。また、Ｎｏ．Ａについては、５６０℃×１時間の時効硬化処理を施した。そして、時効硬化処理後について、縦断面（圧延方向に沿った断面）において、鏡面研磨後に圧子荷重２．９Ｎにてビッカース硬さ測定を行った結果を表３に、試料Ａ１、Ａ２、Ｂ1として示す。
【００２３】
【表３】
2006283085.tif 000004
【００２４】
時効硬化処理後の硬さは、試料Ａ１が５６０ＨＶ以上であるのに対して、試料Ａ２、Ｂ１は５６０ＨＶ未満であることから、試料Ａ１は高強度であり、高い疲労強度が期待できるが、試料Ａ２、Ｂ１は高疲労強度が期待できないと考えられる。
【００２５】
４８０℃×２時間の時効硬化処理後の試料（試料Ａ１、Ｂ１）から、片振り曲げ疲労試験片を切り出し、バレル研磨を施した。更に、試料Ａ１に関しては、バレル研磨後に窒化処理を施した試験片も用意した。窒化を施した試料Ａ１の試験片の窒化層断面を１０００倍で光学顕微鏡観察したが、表面に化合物層は確認されなかった。また、窒化深さは３０μｍ、表面硬さは８５０ＨＶであった。試料Ｂ１は良好な窒化層が得られる窒化条件が見出せなかった。
片振り曲げ疲労試験は、１０７回まで試験して、破断しない応力振幅を疲労限とした。試験実施前に表面圧縮残留応力を測定した結果と疲労限を表４に示す。
【００２６】
【表４】
2006283085.tif 000005
【００２７】
試料Ａ1は、バレル研磨後の疲労強度が高く、窒化処理を施すことで更に高疲労強度が得られている。一方、試料Ｂ1はバレル研磨後の疲労強度が低い値であった。
以上のように、加工性、加工精度、高疲労強度の全てを満足するのは、本発明鋼である試料Ａ1のみである。そして、試料Ａ1は窒化処理により更に疲労強度を高くすることができる。疲労試験は、１０７回までで評価したが、１０７回を越える高サイクル疲労領域では、非金属介在物を起点とした疲労破壊が起こることが知られているため、非金属介在物を微細化もしくは適正サイズ化することで、本発明鋼は高サイクル領域での高疲労強度も実現可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によると加工性、加工精度に優れ、かつ高疲労強度であるバネ用材料を提供することが可能であるため、高精度でかつ高疲労強度を有するバネを製造することができる。
そして、本発明を用いると、非常に小型のバネや、高精度なバネを製造することができることから、各種バネを使用する部品、例えば、フラッパーバルブ、ショックアブソーバー弁、プレスプレート、板バネ、ダイヤフラム、メタルマスク等を小型化する場合、もしくは高速かつ精度よく作動させる場合、信頼性を高めたい場合には非常に有効である。